电动叉车线控转向系统主动转向控制策略探析

关文杰

（杭叉集团股份有限公司，浙江 杭州 311305）

线控转向系统是指将驾驶员的控制指令传入电子控制器中，并由电子控制器根据当前路面状况、车辆状态、方向盘转角等多方面综合情况展开计算，得出最为合适的轮胎转角，并按照这一轮胎转角控制电动叉车进行转向动作。而主动转向控制策略则是在线控转向系统的基础上，对横摆角速度、转向半径等车辆转向性能参数进行有效控制，以避免不足转向或过度转向的出现。这种控制策略不仅能够保证货载的稳定性、适应复杂地形，同时也能够大大提升电动叉车的转向灵活性。

1 电动叉车的转向性能要求

1.1 转向灵活性

一般来说，电动叉车的转向灵活性通常与转弯半径、车速、横摆角速度有关，其中转弯半径意味着电动叉车转弯所需要的空间大小，转弯半径越小，则叉车在转弯时所需的空间也会越小，其面对狭窄环境时的转向灵活性自然就会大好，而横摆角速度则是指汽车绕垂直轴的偏转的大小，这一性能与叉车转向的稳定程度有着直接的关系，如果横摆角速度达到一个阈值，那么叉车就很容易发生测滑或甩尾等事故，横摆角速度越大，叉车的稳定性就会越好，叉车转向时的灵活性同样会更强。但需要注意的是，叉车转向时转弯半径并非越小越好，而横摆角速度也不是越大越好，虽然在叉车车速较低时，更高的横摆角速度以及更小的转弯半径虽然能够在一定程度上避免转向不足等问题，但在叉车车速较快的情况下，由于驾驶员很容易出现紧张心理，其对于方向盘的把控也不够准确，因此，过高的横摆角速度以及过小的转弯半径很容易导致过度转向，从而给叉车行驶带来危险，因此，转弯半径和横摆角速度能够很好地反应叉车的转向机动性能。

1.2 操作稳定性

电动叉车的操作稳定性是指叉车在行驶过程中，其实际转向情况与驾驶者控制指令间的契合度，由于线控转向系统本身会根据电子控制器对综合情况进行分析，并控制轮胎转角，因此叉车的转向控制实际上是由电子控制器完成的，如果电子控制器的分析结果与驾驶员的驾驶意图差距较大，那么就很容易使驾驶员出现错误的判断与控制操作，进而导致交通事故的发生。另外，电动叉车在行驶过程中很容易受到外界因素的干扰，而叉车在转向时能够有效地抵抗干扰，保持稳定的行驶，也同样是影响电动叉车操作稳定性的重要因素。从整体上看，电动叉车的操作稳定性会受到质心侧偏角与横摆角速度的影响，横摆角速度能够明确驾驶员的驾驶意图与叉车转向特性，而质心侧偏角则会对横摆角速度的反应效果造成影响。

2 电动叉车线控转向系统主动转向控制策略

2.1 解耦控制策略

电动叉车的稳定性是由其质心偏角决定的，在解耦的控制上，是对算法中的质心偏角以及横摆角速两变量之间耦合关系进行解除，优化这两个量的力学特征。通过这种控制算法能将质心偏角减小趋近零，从而提高电动叉车在转向过程中的稳定性。根据三轮二度动力方程：将质心偏角与横摆角速二者之间耦合解除，有效地改善了三轮叉车在质心偏角以及横摆角速发生响应的特征。

对叉车后轮的转向角展开控制后，改善了其动力性能，使其摆脱横摆角速的影响，仅由车辆的实际参数确定，进而实现质心偏角接近零的目标。

电动叉车转向在解耦控制中还存在相应的缺点，致使叉车发生剧烈的摆动。可通过虚拟前轮展开横摆角速的补偿，把此变量以虚拟的方式转到前轮的转向控制当中，对其中的补偿系数进行调整，提高电动叉车在转向过程中的稳定性以及动力性能。

2.2 前后轮等角反向转动控制策略

对于叉车前后轮的等角反转方面的控制，需要驾驶员经过长期工作总结出具体经验，其中等角的反转是指虚拟化控制，控制前、后论的转角，确保大小相同，方向相反。对于此部分的控制核心内容是将电动叉车在瞬间转动时的轴心时刻保持在沿车体竖向中心所处的水平线上。在对前后轮的等角转向控制方面，不但可以在很大程度上缩短电动叉车转弯过程的半径，而且还能提升其在行驶过程的灵敏程度，利于叉车处于低速运行时机动性能的提高。在前后轮的等角转向控制上，要符合电动叉车在运行时的阿克曼定理。以虚拟化的前轮的转角以及几何束缚，将前轮转角灵活控制，使其行驶轨迹符合定理中的阐述的几何关系，同时还保障了叉车轮胎和地面之间保持纯滚动的形态，这样不但能有效地发挥轮胎的力学性能，而且减少了其与地面的磨损。

3 主动转向控制策略在各种工况下的反应情况

3.1 高速正弦工况

以电动叉车保持15km/h 的速度为例。其解耦以及对前后轮的等角等控制都可降低叉车质心偏角的值。在解耦控制情况下，叉车的质心偏角值能够在非常微小的状态，几乎趋近于零。当通过后轮的等角转动对叉车转向进行控制时，其横摆角速能根据输入系统中的正弦发生变化，保证其最大值处于0.342rad/s，到达目的地用时0.657s。当使用叉车前轮的等角转动对其转向控制时，其横摆角速最高值维持在0.517rad/s，到达目的地用时0.648s。叉车解耦控制时，横摆角速最大值在0.281rad/s，到达目的地用时0.557s。由此可以看出，在解耦控制下，其反应所需时间更短，因此，解耦控制有速度上的优势，对横摆角速也有较好的控制效果。

3.2 高速斜坡工况

以电动叉车保持15km/h 的速度为例。在2s 以内的仿真时间，解耦控制质心偏角值趋近于零，这也是解耦控制显著的优势。使用前后轮的反转控制时，质心偏角的值是-0.115rad/s。使用后轮向控制时，质心偏角处于-0.144rad/s，相比之下，质心偏角的绝对值降低了。由此可以看出，当使用前后轮进行等角反转的控制时，能够改善叉车发生侧偏的现象。从横摆角速方面来看，后轮的转向控制时，横摆角速处于0.382rad/s。当前后轮的等角反转控制时，横摆角速的值在0.575rad/s，解耦控制通过仿真达到了比之前更小的角速度，值为0.285rad/s。通过以上数据也可以看出，在解耦控制时，横摆角速值比前后轮的转向控制明显变小，起到了良好的控制效果。

3.3 低速斜坡工况

以电动叉车保持5km/h 的速度为例。在前2s 时间内，解耦控制质心偏角趋近零。当前后轮的等角反转控制时，质心偏角反应速度更加快速，其稳定时的值是-0.072rad/s。后轮转向控制时，质心偏角稳定时的值是-0.115rad/s，质心偏角的稳态绝对值减小，由此可以看出，通过前后轮对叉车的等角反转进行控制改善了质心偏角较大的问题。针对横摆角速，使用后轮转向进行控制时，其数值维持在0.144rad/s。当使用前后轮的等角反向控制时，数值维持在0.215rad/s。当解耦控制时，其数值维持在0.181rad/s。通过以上数据可以看出，这两种控制方式都能降低电动叉车低速行驶过程中将横摆角速提高的目的。站在叉车稳定性以及具有良好的动能性能的角度分析，使用以上两种方式都能实现增加其横摆角速，但是前后轮的等角反转在控制效果方面具有明显优势。

3.4 低速正弦工况

以电动叉车保持5km/h 的速度为例。针对低速状态下的正弦仿真，使用解耦控制以及前后轮的等角反转控制等方法可降低叉车在运行过程中质心偏角的值。当解耦控制时，其质心偏角依然处于较低值，几乎趋近于0，同时也说明，解耦控制条件下能提高电动叉车的机动性能，还提高了其操作的稳定性。当使用后轮转向控制时，其横摆角速最高值是0.138rad/s，用时0.569s。使用前后轮的等角反转控制时，最高值为0.211ad/s，用时0.555s。使用解耦控制，最高值为0.178ad/s，到达时间0.554s。在低速仿真时，解耦控制的速度更快。

5 结语

综上所述，对电动叉车转向系统的研究具有重要意义，既能提高驾驶人员的安全性，还能提高叉车的工作效率。通过以上对解耦和前后轮等角反向转动控制两方面分析了电动叉车线控转向系统主动转向控制方式，并分别分析了在高速正弦、高速斜坡、低速斜坡、低速正弦下这两种控制方式的优势，希望为相关设计人员提供思路，完善设计叉车的使用性能。